MJS封底及降水回灌對(duì)于保泉線(xiàn)的微擾動(dòng)及保護(hù)技術(shù)研究

杜樂(lè)樂(lè)

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 工程概況

梁王站位于規(guī)劃舜城大街與規(guī)劃檀公西路交叉口，沿規(guī)劃舜城大街東西向布置。梁王站為11m島式站臺(tái)地下兩層車(chē)站，明挖法施工，長(zhǎng)度344m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.9m，結(jié)構(gòu)底板埋深17.28～19.81m?；颖Ｗo(hù)等級(jí)一級(jí)。

地質(zhì)情況：梁王站頂板覆土約2.4～4.1m，該站地層自上而下依次揭露為：人工填土層、粉質(zhì)黏土、卵石、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石層，以殘積土為主，局部揭露粉土、膠結(jié)礫巖。

水文情況：水位埋深6.60～8.10m，該車(chē)站區(qū)域沿線(xiàn)地下水類(lèi)型為第四系松散層孔隙水及灰?guī)r巖溶水。該區(qū)域第四系孔隙水含水層水量豐富，第四系含水層以碎石、卵石、含碎石粉質(zhì)黏土等為主，裂隙發(fā)育的粉質(zhì)黏土、粉土具有一定的滲透性，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給和下部巖溶承壓水頂托補(bǔ)給，第四系孔隙水具承壓特性[1]。車(chē)站北側(cè)為濟(jì)青高鐵和石濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，車(chē)站距離濟(jì)南白泉僅2公里，圍繞如何保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑外水位穩(wěn)定減小周邊地表沉降，保證泉脈不受基坑開(kāi)挖降水影響進(jìn)行研究。

2 工程技術(shù)難點(diǎn)

項(xiàng)目采用的MJS工法（MetroJetSystem）又稱(chēng)全方位高壓噴射工法，在濟(jì)南地鐵的建設(shè)史上尚屬首次。該工法在傳統(tǒng)高壓噴射注漿工法的基礎(chǔ)上，采用了鉆桿內(nèi)部增設(shè)中央排泥孔及鉆頭部位集成的地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)，當(dāng)高壓噴射過(guò)程中地內(nèi)壓力增加時(shí)，可以通過(guò)鉆桿內(nèi)的排泥孔實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制排泥，從而降低了地內(nèi)壓力的聚集，減少高壓噴射施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。與傳統(tǒng)的高壓旋噴樁相比，MJS工法樁在成樁直徑、成樁深度以及環(huán)境友好性方面都有較大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)調(diào)查，MJS工法有以下技術(shù)難點(diǎn)，施工過(guò)程中需研究克服。

第一，用電需求大。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，施工MJS一套設(shè)備用電總量約432kW。第二，MJS施工工效低。MJS主機(jī)從接桿、下桿、噴漿、提桿平均約8h，遇超深施工可能發(fā)生斷桿、埋桿問(wèn)題。第三，MJS實(shí)樁長(zhǎng)度短、空樁較長(zhǎng)、質(zhì)量控制難度大。該項(xiàng)目MJS工法樁為基坑底部全方位注漿加固封底，標(biāo)準(zhǔn)加固長(zhǎng)度為3m，高低跨銜接處加固長(zhǎng)度分別為6m、6.5m、10.5m，空樁長(zhǎng)度31.4～41.885m，塌孔風(fēng)險(xiǎn)大，封底加固質(zhì)量難以保證。第四，膠結(jié)礫巖自身強(qiáng)度高，施工效率及質(zhì)量控制難度大。該項(xiàng)目基地大面積存在膠結(jié)礫巖、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石層等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地連墻施工數(shù)據(jù)采集實(shí)測(cè)，最大強(qiáng)度高達(dá)70MPa，MJS額定注漿壓力40MPa，難以穿透該地層。同時(shí)，MJS引孔機(jī)遇到該地質(zhì)成孔效率低，單臺(tái)設(shè)備平均12h成孔1根，對(duì)鉆頭磨損程度較大。此外，該工法樁注漿過(guò)程中部分水泥漿會(huì)滲透至孔周邊地層、污染地下水源，在一定程度上降低降水施工效果，同時(shí)，返漿量控制難度大，消耗材料多，成本高[2]。第五，基坑水系發(fā)達(dá)。濟(jì)南境內(nèi)泉水眾多，擁有趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龍?zhí)?、百脈泉等“七十二名泉”，被稱(chēng)為“泉城”，地下水四通八達(dá)互相連通，一旦某個(gè)點(diǎn)降水，必將影響泉脈。濟(jì)南也被稱(chēng)為全球最難建設(shè)地鐵的城市之一。該車(chē)站涉及白泉泉域，根據(jù)以往研究成果，西邊界為東塢斷裂，斷裂以西為濟(jì)南泉域，屬于白泉泉域的排泄區(qū)。該處受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及高承壓水頭、長(zhǎng)期的水位波動(dòng)，以及長(zhǎng)期由南向北的徑流環(huán)境作用下，場(chǎng)地各黏性土層中存在豎向?qū)严?，而黏性土層中含姜石，局部夾角礫，導(dǎo)致該區(qū)域黏性土具有一定透水性。該區(qū)域灰?guī)r埋深一般在60～80m，石灰?guī)r地層之上普遍分布較厚的碎石土含水層，該層溝通巖溶水，形成強(qiáng)承壓水頭，通過(guò)黏性土的孔隙和豎向裂隙向上補(bǔ)給第四系孔隙水。白泉泉群的形成條件就是高承壓巖溶水透過(guò)較厚的第四系土層出露地表。第六，臨近既有鐵路線(xiàn)。根據(jù)鐵路部門(mén)要求，鐵路沿線(xiàn)200m內(nèi)不允許進(jìn)行基坑降水作業(yè)，該車(chē)站北側(cè)緊鄰濟(jì)青高鐵和石濟(jì)客專(zhuān)橋梁，無(wú)法進(jìn)行基坑降水作業(yè)。因此，采用坑內(nèi)疏干井結(jié)合回灌施工確?；庸こ陶＿M(jìn)行。

3 MJS工藝優(yōu)勢(shì)

MJS工法與傳統(tǒng)高壓噴射注漿工藝比較優(yōu)勢(shì)明顯。

第一，采用了獨(dú)特的多孔管和前端造成裝置，實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)，設(shè)置了排泥管及排泥口，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制排漿，通過(guò)調(diào)整強(qiáng)制排漿量來(lái)控制地內(nèi)壓力，使深處排泥和地內(nèi)壓力得到合理控制，保證地內(nèi)壓力穩(wěn)定。第二，降低了在施工中出現(xiàn)地表變形的可能性，大幅度減少了對(duì)周邊環(huán)境的影響。第三，地內(nèi)壓力的平衡穩(wěn)定進(jìn)一步保證了成樁直徑和對(duì)噴漿量的控制。第四，較傳統(tǒng)高壓旋噴樁工藝，實(shí)現(xiàn)了水平、斜向、垂直方向的地基加固施工，特別是水平方向的加固能力是其他工法無(wú)法比擬的。

4 MJS工藝流程

MJS工法主要包含2個(gè)單元4個(gè)分工序，其一，地質(zhì)鉆機(jī)引孔作業(yè)；其二，MJS主機(jī)全自動(dòng)旋噴作業(yè)。

4.1 引孔

采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)成孔作業(yè)，成孔直徑約200mm，一般引孔應(yīng)超過(guò)成樁深度1m，采用泥漿護(hù)壁避免塌孔。

4.2 主機(jī)就位

現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)型號(hào)為MJS-65CVH，最大施工深度在50～60m，理論最大成孔直徑4200mm（實(shí)際施工中能達(dá)到直徑3000mm），噴射角度5～360°，主機(jī)上主要包含2個(gè)儀表盤(pán)：一是可調(diào)參數(shù)設(shè)定，包括角度、提升步距及速度、水泥漿壓力、倒吸水壓力、空氣壓力。二是地內(nèi)壓力監(jiān)控設(shè)備，用于監(jiān)控地下壓力。

4.3 前端造成裝置及噴漿

正式噴漿前先清水掃噴，確保噴嘴達(dá)到指定深度，噴漿壓力為額定40MPa，水流壓力為5～20MPa，空氣壓力0.5～0.8MPa，提升速度25mm/min（1m/40min）。

4.4 后臺(tái)設(shè)備及漿液制備

噴漿采用純水泥漿，配合比由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，由后臺(tái)攪拌后通過(guò)灌漿泵輸送至主機(jī)進(jìn)行噴漿作業(yè)。

5 施工組織要點(diǎn)

第一，MJS施工需要一定場(chǎng)地，設(shè)置后配套設(shè)施，后臺(tái)輻射半徑最大100m。第二，單套設(shè)備正常工效為3根/d，需24小時(shí)連續(xù)作業(yè)。第三，設(shè)備耗電量較大，單套設(shè)備需300～400kW。第四，施工班組盡量選用熟悉工程所在地地質(zhì)情況的鉆機(jī)班組。第五，場(chǎng)地需設(shè)置循環(huán)漿池及廢漿池，電纜及輸漿管線(xiàn)較多，對(duì)文明施工要求較高，需配置專(zhuān)職文明施工人員，場(chǎng)地硬化后更利于組織施工，提高工效。第六，水泥需求量較大，需確保供貨充足方便。

6 MJS現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制要點(diǎn)

6.1 漿液制備

第一，噴射注漿不得使用過(guò)期和受潮結(jié)塊的水泥制備漿液。第二，水灰比1∶1，期間檢查泥漿比重。第三，在日平均溫度低于5℃或最低溫度低于-3℃的條件下施工時(shí)，噴射注漿應(yīng)采取防凍措施。

6.2 成孔施工

第一，噴射注漿垂直成孔時(shí)，宜采用鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)成孔，孔徑宜為160～350mm，孔位偏差1/150。第二，在易塌孔的土層成孔時(shí)，應(yīng)采用外套管或泥漿護(hù)壁措施（設(shè)備功率應(yīng)滿(mǎn)足地質(zhì)要求，滿(mǎn)足噴漿效率）。

6.3 噴射施工

第一，下放鉆桿完成后，應(yīng)檢查下桿深度，并應(yīng)按專(zhuān)項(xiàng)施工方案設(shè)定噴射角度、步進(jìn)間隔時(shí)間、步進(jìn)距離等參數(shù)，步進(jìn)距離宜為25mm。第二，噴射注漿前，應(yīng)校核旋轉(zhuǎn)夾管和噴嘴方向，依次開(kāi)啟回流氣、回流水，打開(kāi)排漿閥門(mén)測(cè)試排漿壓力，并開(kāi)啟同軸壓縮空氣和高壓噴射流。第三，噴射注漿完成后應(yīng)在原孔位回灌漿液。第四，噴射注漿宜間隔施工，間隔距離宜為水泥土增強(qiáng)體有效直徑的2～3倍。第五，相鄰水泥土增強(qiáng)體的噴射注漿施工間隔時(shí)間不宜小于24h。

6.4 地內(nèi)壓力控制

地內(nèi)壓力控制系數(shù)為1.1～1.6，噴射注漿時(shí)，應(yīng)對(duì)地內(nèi)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并滿(mǎn)足地內(nèi)壓力控制值的要求。當(dāng)施工中發(fā)現(xiàn)地面隆起等異常情況時(shí)，應(yīng)降低地內(nèi)壓力控制系數(shù)。

7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果驗(yàn)證

封底范圍土層為16-1粉質(zhì)黏土，C＝29，按《MJS高壓噴射注漿施工技術(shù)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿），有效成樁直徑暫按2200mm、鉆孔間距按照1800mm×1650mm布置，搭接寬度為400mm。

7.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及后續(xù)驗(yàn)證方法。

為檢測(cè)封底效果，先進(jìn)行MJS試驗(yàn)段的施工，試驗(yàn)段共布置326根，試樁通過(guò)取芯驗(yàn)證咬合和成樁效果，對(duì)該范圍進(jìn)行MJS加固后，通過(guò)施工降水井驗(yàn)證封底效果。試驗(yàn)段共設(shè)置8口降水井，間距為10m，井與井之間設(shè)置觀測(cè)井（共計(jì)10口）。

7.2 取芯驗(yàn)證情況

通過(guò)取芯驗(yàn)證成樁效果，集中取芯方法包括以下三種：第一種，通過(guò)取距離樁中心不同距離驗(yàn)證成樁直徑及咬合效果。第二種，取單樁距離樁中心相同距離驗(yàn)證單樁成樁效果。第三種，取不同時(shí)期施工的樁，驗(yàn)證樁間咬合情況，相鄰樁間隔時(shí)間48h以上。

7.3 降水試驗(yàn)對(duì)比

同時(shí)進(jìn)行第一倉(cāng)及第三倉(cāng)降水試驗(yàn)。第一倉(cāng)基坑采用MJS封底加固后，第三倉(cāng)未采用加固措施，兩倉(cāng)基坑面積、地質(zhì)情況、降水時(shí)間相同，通過(guò)對(duì)比降水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，MJS工法封底加固后明顯出水量變小。

7.3.1 出水量情況

第一倉(cāng)及第三倉(cāng)在基坑面積相同、地質(zhì)情況相同的情況下，第一倉(cāng)基坑內(nèi)出水量遠(yuǎn)小于第三倉(cāng)基坑內(nèi)出水量，說(shuō)明第三倉(cāng)明顯受到坑外水量補(bǔ)給；第一倉(cāng)的MJS封底加固隔水效果明顯；第三倉(cāng)水位無(wú)法降至基坑底部。

7.3.2 坑內(nèi)觀測(cè)井水位降深情況

第一倉(cāng)及第三倉(cāng)在降水試驗(yàn)時(shí)間相同的情況下，按目前的降水試驗(yàn)方案，第一倉(cāng)能有效將水位降至基坑底部1m，第三倉(cāng)降水效果不理想，無(wú)法將基坑水位降至基坑底部。

7.3.3坑內(nèi)觀測(cè)井水位恢復(fù)情況

水位恢復(fù)階段，第一倉(cāng)及第三倉(cāng)在水位恢復(fù)試驗(yàn)時(shí)間相同的情況下，第一倉(cāng)水位恢復(fù)的速率及恢復(fù)率遠(yuǎn)小于第三倉(cāng)，說(shuō)明第一倉(cāng)水位恢復(fù)慢，恢復(fù)至原水位需要時(shí)間長(zhǎng)；第三倉(cāng)水位恢復(fù)快，恢復(fù)至原水位需要時(shí)間短，能很快恢復(fù)至原水位。群井試驗(yàn)中第三倉(cāng)48小時(shí)恢復(fù)至原始水位。

7.3.4 坑外觀測(cè)井水位變化情況

降水試驗(yàn)期間，第一倉(cāng)坑內(nèi)試驗(yàn)對(duì)坑外水位變化無(wú)明顯關(guān)系，第三倉(cāng)坑內(nèi)試驗(yàn)對(duì)坑外水位變化有直接影響，坑內(nèi)外存在明顯水力聯(lián)系。

8 取得成果

8.1 施工進(jìn)度方面

MJS施工工藝較傳統(tǒng)高壓旋噴加固大大提高了施工效率、縮短了施工工期（約46天），采用分倉(cāng)劃分區(qū)域施工有效地保證了施工工期。施工設(shè)備占地較小，主要依靠后配套設(shè)備，能同時(shí)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行施工，高峰期梁王站有10臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工。

8.2 施工質(zhì)量方面

MJS工法在梁王站順利施工完成，驗(yàn)證了MJS工法首次在濟(jì)南地區(qū)的粉質(zhì)黏土層中是可行的。從取芯情況來(lái)看，該工法在粉質(zhì)黏土層中加固效果較好，能形成完整加固體，并能很好地咬合形成整體的封底加固層，施工過(guò)程中也總結(jié)出了適用于濟(jì)南地區(qū)粉質(zhì)黏土層MJS工法的施工參數(shù)。

8.3 創(chuàng)新成果

通過(guò)研究MJS工法樁深成垂直加固工藝，確保了地下垂直43.5m深基坑底部單樁直徑2.2m的加固質(zhì)量，成功突破了8158m2深基坑大面積全覆蓋基底封底隔水的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了減小深基坑降水對(duì)保泉線(xiàn)的微擾動(dòng)的技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了深基坑大面積MJS與地連墻的結(jié)合封底保泉的技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了深基坑降水回灌對(duì)泉水的保護(hù)，確保了深基坑地鐵建設(shè)的安全可靠。在封底隔水帷幕的安全保證下，減少基坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量、同時(shí)減少回灌，極大地促進(jìn)了泉城“保泉”重大任務(wù)的落實(shí)，減少水資源浪費(fèi)，并取得了良好的質(zhì)量效果和安全保障，達(dá)到了預(yù)期的“三個(gè)零”目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了深基坑降水對(duì)保泉線(xiàn)的“0”擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了封底加固“0”污染，實(shí)現(xiàn)了臨近運(yùn)營(yíng)高鐵線(xiàn)橋梁深基坑開(kāi)挖“0”擾動(dòng)。

8.4 社會(huì)效益

泉城大面積深基坑MJS封底隔水的成功實(shí)施，為臨近鐵路運(yùn)營(yíng)線(xiàn)、周邊復(fù)雜環(huán)境的深基坑結(jié)構(gòu)開(kāi)挖降水施工提供了前提與保障。針對(duì)不同地質(zhì)、不同深度、不同水力情況、不同環(huán)境的情況，逐一研究攻克各項(xiàng)技術(shù)難題。同時(shí)，為了積極響應(yīng)濟(jì)南市政府“保泉節(jié)水”的號(hào)召，通過(guò)該工法的研究與創(chuàng)新，一方面保證了濟(jì)南白泉泉域生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減少了水資源的流失，另一方面通過(guò)回灌系統(tǒng)的凈化與沉淀，確保了回灌至地下的水源滿(mǎn)足濟(jì)南市地下水質(zhì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

9 結(jié)語(yǔ)

MJS封底及降水回灌對(duì)于保泉線(xiàn)的微擾動(dòng)及保護(hù)技術(shù)在濟(jì)南地鐵6號(hào)線(xiàn)梁王站的成功應(yīng)用，證明了濟(jì)南地區(qū)在泉域富水區(qū)域、臨近鐵路線(xiàn)的深基坑開(kāi)挖及降水施工中深基坑大面積運(yùn)用MJS封底隔水是可行的，既能保證基坑開(kāi)挖安全，又能達(dá)到“保泉節(jié)水”的目的，還不影響臨近高鐵營(yíng)業(yè)線(xiàn)的行車(chē)安全，在類(lèi)似工況的地鐵施工中，尤其是在“保泉優(yōu)先”的濟(jì)南泉域地鐵施工中，有較高的推廣價(jià)值。